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Los dispositivos portátiles requieren alta fiabilidad, lo que puede ser un problema cuando los diseñadores de PCB se enfrentan a la elección de fr4 (el material de fabricación de PCB más rentable) o materiales más avanzados y caros.
Debido a su pequeño tamaño, en el creciente mercado de Internet de las cosas wearable, casi no hay estándares de placas de circuito impreso Listos. Antes de establecer estos estándares, debemos confiar en los conocimientos y la experiencia de fabricación adquiridos en el desarrollo a nivel de Consejo de Administración y pensar en cómo aplicarlos a desafíos emergentes únicos. Hay tres áreas a las que se debe prestar especial atención: materiales de superficie de placas de circuito, diseño de radiofrecuencia / microondas y líneas de transmisión de radiofrecuencia.
Materiales de PCB
Los PCB suelen estar compuestos por capas que pueden estar hechas de resina epoxi reforzada con fibra (fr4), poliimida o Rogers u otras laminaciones. El material aislante entre las capas se llama hoja semicurada.
Los dispositivos portátiles requieren alta fiabilidad, lo que puede ser un problema cuando los diseñadores de PCB se enfrentan a la elección de fr4 (el material de fabricación de PCB más rentable) o materiales más avanzados y caros.
Si las aplicaciones de PCB portátiles requieren materiales de alta velocidad y alta frecuencia, fr4 puede no ser la mejor opción. La constante dieléctrica (dk) del Fr 4 es de 4,5, la serie Rogers 4003 más avanzada tiene un coeficiente dieléctrico de 3,55 y el parámetro dieléctrico de los hermanos Rogers 4350 es de 3,66.
Figura 1: diagrama de apilamiento de placas de circuito impreso multicapa que muestra el material fr4 y Roger 4350, así como el espesor de la capa central.
La constante dieléctrica de la pila se refiere a la relación entre la capacidad o la energía de un par de conductores cerca de la pila y la capacidad o energía de un par de conductores en el vacío. A alta frecuencia, se prefiere tener pérdidas muy pequeñas, por lo que el Loger 4350 con un coeficiente dieléctrico de 3,66 es más adecuado para frecuencias más altas que el fr4 con una constante dieléctrica de 4,5.
Normalmente, el número de capas de PCB para dispositivos portátiles oscila entre 4 y 8 capas. El principio de construcción de la capa es que si se trata de un PCB de 8 capas, debe proporcionar suficientes capas y capas de alimentación, y sujetar la capa de cableado en el medio. De esta manera, se pueden minimizar los efectos de onda en las conversaciones cruzadas y se puede reducir significativamente la interferencia electromagnética (emi).
En la etapa de diseño del diseño de la placa de circuito, el esquema de diseño generalmente coloca grandes formaciones cerca de la capa de distribución. Esto conduce a un efecto de onda muy bajo y el ruido del sistema se puede reducir a casi cero. Esto es particularmente importante para los subsistemas de radiofrecuencia.
El fr4 tiene un factor de disipación (df) más alto que el material rogers, especialmente a altas frecuencias. Para apilar fr4 de mayor rendimiento, el valor de DF es de aproximadamente 0002, que es un orden de magnitud mejor que el apilamiento normal de fr4. Rogers, sin embargo, solo tiene 0001 capas o menos. Cuando el material fr4 se utiliza en aplicaciones de alta frecuencia, hay diferencias significativas en la pérdida de inserción. La pérdida de inserción se define como la pérdida de potencia del punto a al punto B cuando se utilizan fr4, Rogers u otros materiales.
Problemas de fabricación de PCB
Los PCB portátiles requieren un control de resistencia más estricto, que es un factor importante en los dispositivos portátiles, y la coincidencia de resistencia puede producir una transmisión de señal más limpia. Anteriormente, la tolerancia estándar para las rutas de transmisión de señales era (+) 10%. Para los circuitos de alta velocidad de alta frecuencia de hoy, este indicador obviamente no es lo suficientemente bueno. El requisito ahora es (+) 7%, y en algunos casos incluso (+) 5% o menos. Este parámetro, junto con otras variables, puede afectar seriamente la fabricación de PCB portátiles con un control de resistencia muy estricto, limitando así el número de empresas que pueden fabricarlos.
La tolerancia a la constante dieléctrica de las capas fabricadas a partir de materiales Rogers UHF suele ser del (+) 2%, y algunos productos incluso pueden alcanzar el (+) 1%, mientras que las capas fr4 son del 10%. Por lo tanto, comparando estos dos materiales, se encontró que la pérdida de inserción de Rogers era particularmente baja. Las pérdidas de transmisión e inserción de las capas Rogers son la mitad bajas que las de los materiales fr4 tradicionales.
En la mayoría de los casos, el costo es lo más importante. Sin embargo, Rogers puede proporcionar un rendimiento de apilamiento de pérdida relativamente baja y alta frecuencia a un precio aceptable. Para aplicaciones comerciales, Rogers puede hacer PCB mixtos con fr4 basados es es en resina epoxi, algunos de los cuales usan Rogers y otros usan fr4.
Al elegir Rogers para apilar, la frecuencia es la consideración principal. Cuando la frecuencia supera los 500 mhz, los diseñadores de PCB tienden a elegir materiales rogers, especialmente para circuitos RF / microondas, ya que estos materiales pueden proporcionar un mejor rendimiento cuando las líneas mencionadas están estrictamente controladas por la resistencia.
En comparación con los materiales fr4, los materiales Rogers también proporcionan una menor pérdida dieléctrica y sus constantes dieléctrico son estables en un rango de frecuencia más amplio. Además, el material Rogers puede proporcionar un rendimiento ideal de baja pérdida para operaciones de alta frecuencia.
El coeficiente de expansión térmica (cte) de los materiales de la serie Rogers 4000 tiene una excelente estabilidad dimensional. Esto significa que la expansión y contracción de la placa de circuito impreso puede mantenerse en un límite estable a mayor frecuencia y temperatura cuando el PCB experimenta un ciclo de soldadura de retorno frío, caliente y muy caliente en comparación con el fr4.
En el caso de las capas mixtas, es fácil mezclar Rogers con fr4 de alto rendimiento utilizando técnicas de proceso de fabricación comunes, lo que hace que sea relativamente fácil lograr un alto rendimiento de fabricación. La apilamiento de Rogers no requiere un proceso especial de fabricación de agujeros.
El fr4 ordinario no puede lograr un rendimiento eléctrico muy confiable, pero los materiales fr4 de alto rendimiento tienen una buena fiabilidad, como un Tg más alto, que sigue siendo relativamente barato, y se puede utilizar en una amplia gama de aplicaciones, desde diseños de audio simples hasta aplicaciones complejas de microondas.
Precauciones en el diseño de pcbrf / PCB de microondas
La tecnología portátil y el Bluetooth allanan el camino para las aplicaciones de radiofrecuencia / microondas en dispositivos portátiles. El rango de frecuencia de hoy se está volviendo cada vez más dinámico. Hace unos años, la muy alta frecuencia (vhf) se definió como 2ghz a 3ghz. Pero ahora podemos ver aplicaciones de ultra alta frecuencia que van desde 10 GHz a 25 ghz.
Por lo tanto, para los PCB portátiles, la parte RF necesita prestar más atención al cableado y separar las señales para generar señales de alta frecuencia lejos del suelo. Otras consideraciones incluyen proporcionar filtros de derivación, condensadores de desacoplamiento suficientes, puesta a tierra y diseño casi igual de líneas de transmisión y bucles.
El filtro de derivación puede inhibir el contenido de ruido y el efecto de onda de conversación cruzada. Los condensadores de desacoplamiento deben colocarse más cerca de los pines de los dispositivos que llevan señales de potencia.
La línea de transmisión de alta velocidad y el bucle de señal requieren una capa entre las señales de la capa de potencia para suavizar el temblor generado por las señales de ruido. A mayor velocidad de la señal, un menor desajuste de resistencia puede causar un desequilibrio en la transmisión y recepción de la señal, lo que conduce a una distorsión. Por lo tanto, se debe prestar especial atención a la coincidencia de impedancias asociadas a las señales de radiofrecuencia, ya que tienen altas velocidades y una tolerancia especial.
La línea de transmisión de radiofrecuencia requiere un control de resistencia para transmitir la señal de radiofrecuencia de un sustrato IC específico al pcb. Estas líneas de transmisión se pueden implementar en la capa exterior, superior e inferior, o se pueden diseñar en la capa intermedia.
Los métodos utilizados en el diseño de radiofrecuencia de PCB son líneas de microstrip, líneas de banda colgantes, guías de onda coplanares o puesta a tierra. La línea de MICROSTRIP está compuesta por un metal o línea de longitud fija y todo o parte de su plano directamente debajo de él. la resistencia característica de la estructura general de la línea de MICROSTRIP está entre 50 y 75.
Las líneas de banda colgantes son otro método de cableado y supresión de ruido. La línea está compuesta por un cableado de ancho fijo en la capa interior y un gran suelo de conexión por encima y por debajo del conductor central. El suelo está atrapado en medio de la capa de alimentación, lo que proporciona un efecto de tierra muy eficaz. Este es el método preferido para el cableado de señales RF de PCB portátiles.
Las guías de onda coplanares proporcionan un mejor aislamiento cerca de las líneas de radiofrecuencia y las líneas que necesitan acercarse entre sí. El Medio está compuesto por un conductor central y su formación de tierra superior e inferior. la mejor manera de transmitir la señal de radiofrecuencia es colgar una línea de banda o una guía de onda coplanar. Estos dos métodos pueden proporcionar un mejor aislamiento entre la señal y la línea de radiofrecuencia.
Se recomienda instalar las llamadas "vallas a través de agujeros" a ambos lados de la Guía de onda coplanar. Este método proporciona una fila de agujeros de tierra en cada placa inferior metálica del conductor central. La ruta principal en el Centro tiene vallas a ambos lados, por lo que proporciona un atajo para el retorno a la planta baja. Este método puede reducir los niveles de ruido relacionados con los efectos de alta onda de las señales de radiofrecuencia. La constante dieléctrica de 4.5 se mantiene igual que la del material fr4 semicurado, mientras que la constante dieléctrica de las láminas semicuradas (de las líneas de microstrip, banda o banda de desplazamiento) es de aproximadamente 3,8 a 3,9.
En algunos dispositivos que utilizan el nivel del suelo, se pueden utilizar agujeros ciegos para mejorar el rendimiento de desacoplamiento de los condensadores de potencia y proporcionar rutas de desviación del equipo al suelo. La ruta de desvío al suelo permite acortar la longitud del agujero, lo que permite lograr dos objetivos: no solo crear un desvío o puesta a tierra, sino también reducir la distancia de transmisión de los dispositivos con pequeños parches, un importante factor de diseño de radiofrecuencia.
